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计算机辅助土木及基础设施工程18 (2003)58-63
用于板状结构无损检测的兰姆模式多样性成像
Vander T. Prado a,*,Ricardo T. Higuti a , Claacute;udio Kitano a , Oacute;scar Martiacute;nez-Graullera b , Julio C. Adamowski c
a保利斯塔大学 (UNESP)，法国工程师学院，电气工程系，巴西SP
b高级调查委员会中国科学院，无破坏评估中心，(CAEND/CSIC)，西班牙马德里
c巴西圣保罗机电与机械系统工程系圣保罗大学
摘要: 本文提出了利用兰姆波不同传播模式获得的信息对板状结构进行无损测试的图像复合技术。数个兰姆波模式可以耦合到一个特定的结构，这取决于其几何形状和传感器用于生成引导波。每个 Lamb 模式以特定形式与不同类型的缺陷（如凹口、脱层、表面缺陷）相互作用，从而产生不同的信息，可用于改进损坏检测和描述。由 16 个压电元件组成的线性阵列连接到厚度为 1 mm 的铝板上，分别以 100 kHz 和 360 kHz 的频率耦合基本 A0 和 S0 模式。对于每个模式，两个图像都来自振幅和相位信息：一个图像使用总对焦方法 （TFM），一个图像从符号一致性因子 （SCF） 获得。每个 TFM 图像都乘以各自模式的 SCF 图像，以提高对比度并减少侧面和光栅叶效果。A0模式的高分散性特征通过充分的缺陷检测得到补偿。SCF 图像中的信息用于在每个像素上选择一个 TFM 模式图像，以获取复合图像。因此，与仅使用一种模式相比，死区减少，分辨率和对比度得到改善，增强了伤害检测。
1介绍
在板状结构和管道的无损检测中使用导波是有利的，因为它们具有一些特性：由于低注意力而在长距离上传播，检查相对较大的区域而无需移动换能器；可以检查结构的整个横截面；测试无明灵敏度的涂层或绝缘结构的可能性；使用几种传播模式的可能性，对每种类型的缺陷具有不同的灵敏度[1]。
此外，每种传播模式都有其自己的色散特性，应考虑对结果进行适当分析[1][2][3]。 为了最小化色散的影响，可以使用窄带信号或色散补偿技术[4][5][6]。 传播模式可以是对称的，也可以是反对称的，具有不同的阶数。 它们通常以色散曲线的形式呈现：相位或群速度（或波数）作为频率-厚度乘积的函数（f·d），对于各种传播模式。 对于铝板，在低f·d值中，只有两种基本模式可以传播: 对称S0模式，表现出低色散特性，反对称A0模式，具有显著的不能色散性。 在更高的f·d值其他模式可以耦合。将耦合到结构的模式不仅取决于板的特性，还取决于换能器，频率范围和用于生成引导模式的技术。
使用阵列可以获得结构及其缺陷的图像。 超声阵列是一换能器，其几何组织以电子方式控制声束[7]。 图像的质量取决于各种参数，例如阵列配置、元素数量、换能器几何形状、波束形成技术和传播模式[8][9][10]。 由于杂散传播模式，主瓣宽度，旁瓣和光栅瓣以及信噪比所施加的某些限制，由导波产生的某些图像可能不具有良好的分辨率和对比度。 提高图像质量的一种替代方法是使用图像复合或融合技术。
戴维斯和考利[11]使用了一个压电剪切阵列换能器和不同的合成聚焦成像技术，考虑每个传感器的不同频率，用于管道检查。对于每种方法，每个频率都会获得一张图像。复合过程包括对相同技术的所有图像求和。
Su等人[12]提出了三个融合方案，基于估计碳纤维环氧复合板脱层的概率。每个传感器的感知是从信号与基线参数的相关性中获得的，从而产生每个组合（发射器和接收器）的感知概率。使用了结合和交叉概率，但其中的中间测量显示脱层识别具有相对较高的稳健性和可靠性。
迈克尔斯和迈克尔斯[13]激发了一个稀疏的阵列与宽带脉冲和一个图像产生每个频率。融合是通过为给定像素获取所有图像的最小值而实现的。通过从未损坏的板块记录的基线信号中减去测量到的信号来使用差分信号。在[14][15]中，作者建议使用鸣叫激发作为生成多模数和多频率引导波的有效方法。随后进行后期处理，以获得最佳模式纯度和回声形状，以生成损坏板的多个图像。
Higuti 等人[16]提出了一种基于多足化和两种不同阵列的信息的图像复合技术，这些阵列在铝板中生成了基本的 S0 模式。与仅使用一个阵列相比，对比度和分辨率有所提高，但两个阵列的使用增加了传感器和电子产品的系统复杂性。
本文的主要贡献是图像复合技术，它使用来自同一线性阵列生成的两种传播模式的信息，无需基线减法，与仅使用一种模式相比，可改善图像对分辨率、对比度、图像伪影和死区的尊重。这些改进来自振幅和相位信息，以及与不同类型的缺陷的特定模式交互。
*通讯作者。电话: 55 1837431000x1659。
电子邮件地址:vandertprado@gmail.com (V.T.普拉多)。
2图像合成技术
2.1振幅图像
考虑一个线性数组N元素和幅度时域数据从所有发射器 和接收器组合装置。 点的图像值 可以通过总聚焦法 (TFM) 得到[17]:
(1)
其中，是发射器，点和接收器之间的时间函数。
2.2 相位图像
使用TFM的合成孔径成像技术的优点是，它可以在每个成像点产生最大的横向分辨率，从而产生高质量的图像。 然而，由于单个信号具有低信噪比，在检测远离阵列的缺陷或对象方面存在限制。 基于部分特征分析的波束形成过程的研究，如能量平衡或信号的相位分布，提供了一个新的信息源，可以帮助克服这些限制，提高系统的响应。
在此视角下，研究图像各点能量平衡的相干性，以改善波束形成过程是由霍尔曼提出的[18]和Asl在自适应波束形成过程中的应用[19]。 但是，如果在波束形成器中引入相位分布的分析，则会获得最有趣的结果。 这种分析可以基于许多具有不同计算复杂度的描述符，但结果与相位分布的极性和方差相似[20],或相位分布的频谱分析[21]。 从这个意义上说，卡马乔已经开发了基于相位方差分析的最完整的工作[20],其中研究了相位相干波束形成器的特性，对侧面和光栅波瓣显示出高度的噪声鲁棒性。 在[20],由于其良好的效果，因此选择了符号相干因子 (SCF) 描述符。 基于相位分布的相干估计器的有效性可见于[22][23]。
SCF图像是一种基于孔径数据处的相位方差分析的方法。 它可以计算为[20]:
（2）
其中，是极性的标准偏差的光圈数据：
（3）
且是孔径数据的极性或代数符号：
（4）
SCF 测量接收延迟信号代数符号的巧合，如果所有信号的极性相同，这些信号是完全连贯的（）。在其他情况下，的值在[0，1]范围内。标本（多路径）和虚假传播模式中的多个反弹之间的分散、随机噪声、信号干扰会影响信号之间的一致性程度。例如，根据这些假设，如果至少 75% 的接收信号保持信号巧合，则可以在确定的位置检测到缺陷，这意味着 SCF 在该点上的价值至少为 50%。
SCF 图像用于此作品中的两种情况：（i） 作为加权因子，由 TFM 图像乘以，并导致对比度改进 [20][21]：（ii） 如果SCF图像高于确定阈值（例如50%），则此信息可用于指示存在缺陷[16]。因此，作品的新颖性与使用同一光圈产生的两种传播模式的图像复合技术有关，该模式在第2.4节中进行了描述。
2.3 色散补偿
在频率-厚度产品的低值下，A0模式呈现高分散度。但是，当知道分散曲线时，可以补偿此效果。Wilcox [24]提出了一种技术，将信号从时间域映射到空间域（传播距离）。考虑分散的信号，补偿信号为：
(5)
其中
(6)
是的傅里叶变换式，是角频率，是波数（），是波长。相位和组速度是通过使用[25]中给出的数字过程解决分散方程来获得的。在此工作中，阵列的分散信号数据在图像光束形成 （TFM 和 SCF） 之前进行补偿，以实现正确的缺陷定位。但是，分散补偿也可以直接在成像算法[26]中考虑。
2.4拟议的复合程序
所提出的图像复合技术基于每个传播模式与缺陷之间的不同相互作用，以及从孔径数据获得的幅度和相位信息。 该方法的框图如图1。
每个模式（A0 和 S0）获得两个图像：一个 TFM 图像和一个 SCF 图像。由于每个 Lamb 模式和缺陷类型之间的特定交互响应，每个 TFM 图像呈现不同的分辨率和对比度。例如，A0模式对表面缺陷更敏感[3]。在缺陷位置，所有延迟信号应分阶段相总和，从而在
SCF 图像中产生高值。如果该位置没有缺陷，则信号将随机总和，预期值较低。在 Mux 部分之前，每个 TFM 图像都会乘以其各自的 SCF 图像，分别为 A0 和 S0 模式生成 IA 和 IS 图像。将相位图像用作加权因子 [20][21]可增加对比度和动态范围，并减少侧面和光栅叶效果。A0 和 S0 SCF 图像还用于通过将每个像素值与确定阈值进行比较来表示缺陷的存在。
为每个图像像素（图 1 中的 Mux 部分）的图像复合技术建议以下选择：
- 如果两个 SCF 图像都高于各自的阈值，则意味着两种模式都检测到缺陷，复合图像 IC 来自：IC 1/4 最大如果 g A：是。此过程倾向于保留最佳模式响应；
- 如果两个 SCF 图像均低于各自阈值，则意味着两个模式均未检测到缺陷，复合图像的获取来源：IC 1/4 分钟如果 g A：是。然后，对比度将增加，同时仍然保留振幅信息：
- 如果只有 A0 SCF 图像高于其阈值，则意味着只有此模式检测到缺陷，复合图像假定值：IC 1/4 IA：
- 如果 S0 SCF 图像高于阈值，则意味着只有此模式检测到缺陷，而复合图像假定值：IC 1/4 IS。
这种图像复合技术采用一种逻辑或操作员，倾向于保持每个模式的最佳响应，减少工件，提高对比度和分辨率。
图1 所提出的图像复合技术的框图
图2 有缺陷的铝板，阵列的中心位于
表格1
铝板中产生的人工缺陷
|
缺陷 |
x(厘米) |
z(厘米) |
尺寸 |
几何 |
类型 |
|
a |
-0.2 |
25.4 |
3.0mm |
圆 |
孔 |
|
b |
-13.0 |
37.0 |
15.0mm |
圆 |
表面 |
|
c |
-14.9 |
82.5 |
15.mm |
圆 |
表面 |
|
d |
15.0 |
15.0 |
8.0mm |
圆 |
表面 |
|
e |
7.0 |
49.0 |
49.0mm2 |
方形 |
表面 |
|
f |
33.0 |
48.0 |
16.0mm2 |
方形 |
表面 |
3 实验设置
由 16 个压电元件组成的线性阵列在厚度方向极化（Ferroperm PZ26，7 mm 6 mm 0.5 mm），间距为 9 毫米，安装在 1 毫米厚度等位素铝板（1 米 1.24 米）的边框上。压生体被波形发生器（Tektronix AFG3101，14 图3 在1毫米厚的铝板中，使用两个压电陶瓷在发射-接收模式下分离20厘米的实验频率响应。
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